青年科學家趣談科學 劉衍：超低能耗建築來啦，冬暖夏涼不是夢！
五四青年節來啦！《知識就是力量》特別策劃「青年科學家趣談科學」系列內容，我們將從航空航天、生命科學、化學、人工智慧、動植物、物理天文等領域挑選青年科學家，一方面帶領大家認識中國優秀的青年科學家群體，另一方面，這些青年科學家將帶領大家讀科學、知科學、愛科學。
冬天怕冷，緊挨暖氣
夏天怕熱，空調常開
你是不是也幻想
擁有一個四季如春的房間？
你別說，冬暖夏涼的建築還真有！
它就是
被動式超低能耗建築，簡稱「被動房」，
關鍵是它還綠色環保喲！
接下來，
青年科學家劉衍將帶我們
去看看如何實現「被動式超低能耗建築」！
劉衍師從國家傑出青年科學基金獲得者、教育部「長江學者」楊柳教授，依託西部綠色建築國家重點實驗室（西安建築科技大學）等科研平台，致力於建築與城市環境領域的研究工作。現主持「十三五」國家重點研發計劃合作單位課題1項、國家自然科學基金1項，主持省部級項目4項，參與國家傑出青年科學基金項目和重點項目各1項。發表學術論文50餘篇，受邀撰寫英文專著1章，以第一完成人獲陝西省高等學校科學技術一等獎1項，研究成果入選2018年全國100名優秀博士後成果選介，入選中國科協「青年人才托舉工程」計劃和國家「香江學者」計劃。
被動式超低能耗建築如何實現？
撰文/劉衍 楊柳
我國建築節能形勢嚴峻。清華大學建築節能研究中心的研究結果顯示從2000年到2010年，我國建築運行商品用能從2.89億噸標準煤增加到了6.77億噸標準煤，建築能耗在我國能源總消費量中所佔的比例已從上世紀七十年代末的10%上升到27.45%，預計到2020年將達到35%以上。因此，「建築節能與綠色建築」越來越受到國家重視。
建築節能是什麼？
建築節能主要是指運用恰當的設計方法和節能技術儘可能節約建築在運行過程中因採暖、通風、空調等消耗的常規能源。建築節能主要分為建築本體節能和非建築本體節能，後者主要指建築在運行過程中暖通空調等建築設備節能。建築本體節能旨在通過提升建築自身的熱工性能從而降低暖通空調等建築設備的用能負荷，因此建築本體節能是建築節能的基礎。理想的節能建築是建築的運行能耗為「零」的建築（如下圖），而超低能耗建築設計是實現零能耗建築的重要前置階段。
哈佛大學零能耗建築實驗室（圖源：哈佛大學綠色建築和城市中心）
為什麼建築行業的能耗如此之高？
一方面是隨著我國經濟社會的發展，人們對建築空間和環境品質的需求不斷提高；另一方面是在快速城鎮化進程中，城鎮建築缺乏對傳統地域建築文明的繼承和發揚，要麼「千篇一律」、「千城一面」，要麼「貪大求洋」、「媚俗求怪」。因此需要針對地域氣候條件和社會經濟文化背景，保證建築室內環境的舒適性，傳承建築風貌和傳統生態經驗，並最大化利用太陽能、風能等自然能源，營造「被動式超低能耗建築」（如下圖）。
夏季白天
夏季夜間
被動式超低能耗建築示意圖（繪圖/劉衍）
那麼，如何實現超低能耗建築？
實現超低能耗建築，首先要認知室外氣候，簡而言之就是認知冬天有多冷或者夏天有多熱，冷熱持續的時間有多長等問題，這些被稱為「室外計算參數」，而擁有準確可靠的室外計算參數是發展超低能耗建築的重要前提。我國保溫設計室外計算參數覆蓋城鎮分布見下圖：
我國保溫設計室外計算參數覆蓋城鎮分布圖（圖源：GB 50176-2016《民用建築熱工設計規範》）
室外計算參數可分為兩類，一類是空氣溫度、空氣濕度等常規氣象參數，數據主要來源於我國1000多個基本地面觀測台站；另一類是太陽輻射，其觀測站點還不到基本地面觀測站點數的6%，也就是說絕大部分地方都沒有太陽輻射數據。與常規氣象參數相比，太陽輻射隨海拔、地形、下墊面狀況的變化而變化，其影響機制非常複雜，是當前的「卡脖子問題」。當務之急是挖掘室外氣候要素的時空分布規律，準確描述其逐時變化特徵，並覆蓋到縣一級行政單位，實現「有數可依」。
實現超低能耗建築，還要確定人的舒適條件，人體熱舒適需求是被動式超低能耗建築的重要基準條件。在一定區間內，夏季空調設定溫度每提升1oC，可節約10%左右的空調能耗。因此，合理設定室內基準溫度可提升建築的節能性能。
我國現行建築節能設計的標準中，對於室內溫度的設定是採用統一的定值（冬、夏季室內計算溫度分別為18oC、26oC，幼兒園、養老院建築等除外），這些溫度指標的界定，未考量人體對環境的主動適應能力。比如在室外空氣溫度無顯著差異的春、秋兩季，人們在衣著、熱感覺等方面往往存在差異，即「春捂秋凍」。再比如研究發現我國乾熱乾冷氣候條件下吐魯番地區居民對「熱」的耐受性較強，而對「冷」的耐受性較弱。據此，可適當調整建築室內設計溫度基準來實現建築節能。
實現超低能耗建築，更要設計好建築本體。充分利用建築物自身熱工性能的提升，並利用可再生的自然氣候資源作為建築採暖和降溫的替代能源，是降低建築能耗的最具生態屬性的技術途徑。
被動式太陽能採暖、自然通風、建築蓄熱、夜間通風、蒸發冷卻等是普遍適用於我國的被動式技術，而對「室外氣候」和「人」的認知程度直接影響到這些被動式技術的應用效果。以窯洞建築為例，厚重的牆體能夠有效抵禦室外氣候的不利影響，門洞處的圓拱加上高窗使得冬季有更多的陽光進入室內，起到調節室內熱環境、降低建築能耗的作用（見下圖）。再比如南方是否需要通過加大保溫層厚度來提高節能率呢？事實上，南方由於冬季室內外溫差小，通過圍護結構傳熱造成的熱損失相對較小，而且保溫效果太好也會影響夏季室內熱量散失，反而會增加能耗。
我國北方窯洞建築（來源：西部綠色建築國家重點實驗室）
只有明晰室外氣候、人在被動式控制環境下的熱舒適需求規律以及與「氣候」和「人」相適應的被動式超低能耗建築設計方法，才能真正實現被動式超低能耗建築。
作者介紹：
劉衍，西安建築科技大學副教授，中國科協「青年人才托舉工程」入選者；
楊柳，西安建築科技大學教授，博士生導師，教育部「長江學者」特聘教授。
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